Badania przeprowadził zespół fizyków z University of Texas w Austin, który eksperymentalnie wykazał zjawiska przewidywane przez teorie powstałe jeszcze w latach 70. XX wieku. Chodzi o tzw. dwuwymiarowy sześciostanowy model zegarowy, opisujący zachowanie momentów magnetycznych w bardzo cienkich materiałach.

Gdy materia staje się dwuwymiarowa

Materiały mogą zmieniać swoje właściwości, gdy są stopniowo „odchudzane” – od grubych kryształów aż do warstw o grubości pojedynczego atomu. W takich ekstremalnie cienkich strukturach fizyka potrafi zachowywać się zupełnie inaczej niż w zwykłych materiałach.

Reklama

Właśnie taki materiał – trisulfek fosforu niklu (NiPS₃) – badacze schłodzili do bardzo niskich temperatur. W zakresie od około –150 do –130°C pojawiła się pierwsza niezwykła faza magnetyczna, znana jako faza Berezinskii–Kosterlitz–Thouless (BKT).

W tej fazie momenty magnetyczne atomów nie układają się w proste wzory. Zamiast tego tworzą maleńkie wiry magnetyczne, które skręcają w przeciwnych kierunkach – jedne zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a inne przeciwnie. Co istotne, takie wiry powstają w parach i pozostają ze sobą związane.

Stabilne wiry o rozmiarze nanometrów

Reklama

Według badaczy te wiry są niezwykle interesujące z punktu widzenia fizyki. Są one bardzo stabilne, a jednocześnie ekstremalnie małe – mają zaledwie kilka nanometrów średnicy i istnieją w strukturze o grubości tylko jednego atomu. To sprawia, że mogą w przyszłości posłużyć do kontrolowania magnetyzmu w skali nanometrycznej.

Faza BKT została nazwana na cześć fizyków Wadima Berezinskii oraz laureatów Nagrody Nobla z 2016 roku – J. Michaela Kosterlitza i Davida Thoulessa, którzy opracowali teorię opisującą takie przejścia fazowe.

Kolejny etap: „magnetyczny zegar”

Po dalszym obniżeniu temperatury materiał przechodził do drugiego stanu – tzw. sześciostanowej fazy zegarowej. W tym stanie momenty magnetyczne mogą przyjmować jedną z sześciu możliwych orientacji, przypominając ustawienie wskazówki zegara na sześciu równomiernie rozmieszczonych pozycjach.

Obserwacja zarówno fazy BKT, jak i uporządkowanego stanu w niższej temperaturze oznacza, że naukowcom udało się po raz pierwszy eksperymentalnie zrealizować pełną sekwencję faz przewidywaną przez dwuwymiarowy model zegarowy.

Droga do nowych technologii

Badacze podkreślają, że obecne eksperymenty przeprowadzono w bardzo niskich temperaturach. Kolejnym krokiem będzie poszukiwanie materiałów, które pozwolą utrzymać podobne fazy magnetyczne w coraz wyższych temperaturach, a być może nawet w temperaturze pokojowej. Jeśli to się uda, odkrycie może mieć znaczenie dla rozwoju nanotechnologii, elektroniki spinowej oraz ultraminiaturowych urządzeń magnetycznych.

Co więcej, wyniki sugerują, że podobne zjawiska mogą występować również w innych dwuwymiarowych materiałach magnetycznych. To otwiera nowe kierunki badań zarówno w fizyce podstawowej, jak i w projektowaniu przyszłych technologii.

Źródło: University of Texas at Austin